Информационный парадокс черной дыры - Black hole information paradox

Первое изображение (силуэт или тень) черной дыры, сделанное сверхмассивной черной дыры в M87 с помощью Телескоп горизонта событий, выпущенный в апреле 2019 года.

В парадокс информации о черной дыре[1] это головоломка в результате сочетания квантовая механика и общая теория относительности. Расчеты показывают, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черная дыра, позволяя многим физические состояния перейти в то же состояние. Это является спорным, поскольку это нарушает основной завет современной физики то, в принципе, ценность волновая функция физической системы в один момент времени должна определять ее ценность в любой другой момент времени.[2][3] Основной постулат Копенгагенская интерпретация квантовой механики заключается в том, что полная информация о системе закодирована в ее волновой функции до того момента, когда волновая функция коллапсирует. Эволюция волновой функции определяется унитарный оператор, и унитарность означает, что информация сохраняется в квантовом смысле.

К ноябрю 2019 года парадокс, возможно, был разрешен, по крайней мере, для упрощенных моделей гравитации.[4] (также см § Последние достижения )

Соответствующие принципы

В игре есть два основных принципа:[5]

  • Квантовый детерминизм означает, что для данной волновой функции ее будущие изменения однозначно определяются оператором эволюции.
  • Обратимость относится к тому факту, что оператор эволюции имеет обратный, что означает, что прошлые волновые функции также уникальны.

Комбинация двух означает, что информация всегда должна быть сохранена.

Начиная с середины 1970-х гг., Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн выдвигать теоретические аргументы на основе общей теории относительности и квантовая теория поля это не только выглядело несовместимым с принципами сохранения информации, но и не учитывало потери информации и не указывало причин для этого. В частности, расчеты Хокинга[6] показал, что испарение черной дыры через Радиация Хокинга не сохраняет информацию. Сегодня многие физики считают, что голографический принцип (в частности AdS / CFT двойственность ) демонстрирует, что вывод Хокинга был неверным, и что информация фактически сохраняется.[7]В 2004 году сам Хокинг признал пари - сделал он, согласившись с тем, что испарение черной дыры действительно сохраняет информацию.

Радиация Хокинга

Основная статья: Радиация Хокинга
В Диаграмма Пенроуза черной дыры, которая образуется, а затем полностью испаряется. Время показано на вертикальной оси снизу вверх; пространство показано на горизонтальной оси слева (нулевой радиус) направо (увеличивающийся радиус).

В 1973–75 гг. Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн показали, что черные дыры должны медленно излучать энергию, что создает проблему. От теорема без волос, можно было бы ожидать Радиация Хокинга быть полностью независимым от материала, попадающего в черную дыру. Тем не менее, если бы материал, попадающий в черную дыру, был чистым квантовое состояние преобразование этого состояния в смешанное состояние излучения Хокинга уничтожило бы информацию об исходном квантовом состоянии. Это нарушает Теорема Лиувилля и представляет физический парадокс.[нужна цитата ]

Хокинг оставался убежденным, что уравнения термодинамика черной дыры вместе с теорема без волос, привел к выводу, что квантовая информация может быть уничтожена. Это раздражало многих физиков, особенно Джон Прескилл, кто в 1997 ставка Хокинг и Кип Торн эта информация не была потеряна в черных дырах. Выводы, которые открыл Хокинг, привели к «битве», в которой Леонард Сасскинд и Жерар т Хофт публично «объявил войну» решению Хокинга, и Сасскинд опубликовал популярную книгу, Война с черной дырой, о дебатах 2008 года. (В книге тщательно отмечается, что «война» была чисто научной и что на личном уровне участники остались друзьями.[8]) Решением проблемы, завершившей битву, является голографический принцип, который был впервые предложен 'т Хоофтом, но получил точное теория струн интерпретация Сасскинда. Этим "Сасскинд подавляет Хокинга в ссоре из-за квантового затруднения".[9]

Есть разные идеи о том, как разрешить парадокс. После предложения 1997 г. AdS / CFT корреспонденция, преобладающее мнение среди физиков состоит в том, что информация сохраняется и что излучение Хокинга не является точно тепловым, но получает квантовые поправки, которые кодируют информацию о внутренней части черной дыры. Эта точка зрения получила дальнейшую поддержку в 2019 году, когда исследователи внесли поправки в вычисление энтропии излучения Хокинга в определенных моделях и показали, что в последнее время это излучение фактически двойственно внутренней части черной дыры.[10][11] Другие возможности включают информацию, содержащуюся в Планковский остаток, оставшийся после окончания излучения Хокинга или модификации законов квантовой механики, чтобы учесть неунитарную эволюцию во времени.[нужна цитата ]

В июле 2004 года Стивен Хокинг опубликовал статью, в которой изложил теорию квантовых возмущений горизонт событий может позволить информации ускользнуть из черной дыры, что разрешит информацию парадокс.[12] Его аргумент предполагает унитарность AdS / CFT корреспонденция откуда следует, что Черная дыра AdS то есть двойной к тепловой конформная теория поля. Объявляя свой результат, Хокинг также признал ставку 1997 года, заплатив Прескиллу бейсбольной энциклопедией, «из которой можно получить информацию по желанию».[нужна цитата ]

В соответствии с Роджер Пенроуз потеря унитарности в квантовых системах не является проблемой: квантовые измерения сами по себе уже неунитарны. Пенроуз утверждает, что квантовые системы фактически больше не будут развиваться унитарно, как только в игру вступит гравитация, в точности как в черных дырах. В Конформная циклическая космология Пенроуза критически зависит от того, что информация действительно теряется в черных дырах. Эта новая космологическая модель может быть в будущем проверена экспериментально путем подробного анализа космического микроволнового фонового излучения (CMB): если это правда, CMB должно иметь круговые структуры с немного более низкими или немного более высокими температурами. В ноябре 2010 года Пенроуз и В.Гурзадян заявили, что они нашли доказательства таких круговых узоров в данных из СВЧ-датчик анизотропии Wilkinson (WMAP) подтверждено данными из BOOMERanG эксперимент.[13] Значимость результатов впоследствии обсуждалась другими.[14][15][16][17]

Постулируемые решения

  • Информация постепенно просачивается во время испарения черной дыры[18][19]
    Преимущество: соответствует обратимости, как того требует квантовая механика. Интуитивно привлекательный, потому что качественно напоминает восстановление информации в классическом процессе записи.
    Недостаток: до недавнего времени считалось, что это решение требует большого отклонения от классической и полуклассической гравитации (которая на первый взгляд не позволяет информации просачиваться из черной дыры) даже для макроскопических черных дыр, для которых применимы классические и полуклассические приближения. ожидается хорошее приближение. Однако недавние разработки показывают, что полуклассическая гравитация действительно обеспечивает механизм утечки информации. Видеть § Последние достижения )
  • Информация безвозвратно потеряна[18][19]
    Преимущество: кажется прямым следствием относительно однозначного расчета, основанного на полуклассическая гравитация.
    Недостаток: нарушает унитарность. (Бэнкс, Сасскинд и Пескин утверждали, что это также нарушает закон сохранения энергии-импульса или локальность, но этот аргумент не кажется правильным для систем с большим количеством степеней свободы.[20])
  • Информация внезапно ускользает во время последней стадии испарения черной дыры[18][19]
    Преимущество: Существенное отклонение от классической и полуклассической гравитации необходимо только в том режиме, в котором действуют эффекты квантовая гравитация ожидается, что они будут доминировать.
    Недостаток: непосредственно перед внезапной утечкой информации очень маленькая черная дыра должна быть способна хранить произвольный объем информации, что нарушает Бекенштейн связан.
  • Информация хранится в остатке размером с Планк.[18][19]
    Преимущество: не требуется никакого механизма утечки информации.
    Недостаток: чтобы содержать информацию от любой испарившейся черной дыры, ее остатки должны иметь бесконечное количество внутренних состояний. Утверждалось, что можно было бы создать бесконечное количество пар этих остатков, поскольку они малы и неотличимы с точки зрения эффективной теории низких энергий.[21]
  • Информация хранится в большом остатке[22][23]
    Преимущество: размер остатка увеличивается с размером исходной черной дыры, поэтому нет необходимости в бесконечном количестве внутренних состояний.
    Недостаток: излучение Хокинга должно прекратиться до того, как черная дыра достигнет планковских размеров, что требует нарушения полуклассической гравитации в макроскопическом масштабе.
  • Информация хранится в детской вселенной, которая отделяется от нашей собственной вселенной.[19][24]
    Преимущество: этот сценарий предсказывается Теория Эйнштейна – Картана гравитации, которая распространяет общую теорию относительности на материю с собственным угловым моментом (вращение ). Никакого нарушения известных общих принципов физики не требуется.
    Недостаток: теорию Эйнштейна – Картана трудно проверить, поскольку ее предсказания существенно отличаются от общерелятивистских только при чрезвычайно высоких плотностях.
  • Информация закодирована в соотношениях между будущим и прошлым[25][26]
    Преимущество: Полуклассическая гравитация является достаточным, т.е. решение не зависит от деталей (еще недостаточно изученных) квантовая гравитация.
    Недостаток: противоречит интуитивному взгляду на природу как на сущность, которая развивается со временем.

Последние достижения

В 2014, Крис Адами утверждал, что анализ с использованием квантовый канал теория заставляет исчезнуть любой кажущийся парадокс; Адами отвергает проведенный Сасскиндом анализ дополнительности черных дыр, утверждая вместо этого, что ни одна космическая поверхность не содержит дублированных квантовая информация.[27][28]

В 2015 году Модак, Ортис, Пенья и Сударский утверждали, что парадокс можно устранить, обратившись к фундаментальным вопросам квантовой теории, которые часто называют проблема измерения квантовой механики.[29] Эта работа была построена на более раннем предложении Окон и Сударского о преимуществах объективная теория коллапса в гораздо более широком контексте.[30] Первоначальной мотивацией этих исследований было давнее предложение Роджер Пенроуз где говорят, что коллапс волновой функции неизбежен в присутствии черных дыр (и даже под действием гравитационного поля).[31][32] Экспериментальная проверка теорий коллапса - постоянная работа.[33]

В 2016 году Хокинг и другие. предложил новые теории движения информации в черную дыру и из нее.[34][35] В работе 2016 года утверждается, что информация сохраняется в «мягких частицах», низкоэнергетических версиях фотонов и других частицах, которые существуют в пустом пространстве с нулевой энергией.[36]

Значительный прогресс был достигнут в 2019 году, когда Пенингтон и другие. открыл класс полуклассической геометрии пространства-времени, на которую не обращали внимания Хокинг и последующие исследователи.[10][11][37] Расчет Хокинга, по-видимому, показывает, что излучение Хокинга энтропия увеличивается на протяжении всей жизни черной дыры. Однако, если черная дыра образовалась из известного состояния (нулевая энтропия), энтропия излучения Хокинга должна уменьшиться до нуля, как только черная дыра полностью испарится. Penington и другие. вычислить энтропию, используя трюк с репликой, и показать, что для достаточно старых черных дыр необходимо рассматривать решения, в которых реплики соединены червоточины. Включение этой геометрии червоточины предотвращает неограниченное увеличение энтропии.[4]

Этот результат, кажется, разрешает информационный парадокс, по крайней мере, в простых теориях гравитации, которые они рассматривают. Хотя реплики не имеют прямого физического значения, внешний вид червоточин переносится на физическое описание системы. В частности, для достаточно старых черных дыр можно выполнять операции с излучением Хокинга, влияющие на внутреннюю часть черной дыры. Этот результат имеет значение для связанных парадокс межсетевого экрана, и напоминает предложенный ER = EPR разрешающая способность.[4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Краткая форма «информационный парадокс» также используется для обозначения Информационный парадокс стрелки.
  2. ^ Хокинг, Стивен (2006). Парадокс Хокинга. Канал Дискавери. Архивировано из оригинал 2 августа 2013 г.. Получено 13 августа 2013.
  3. ^ Прощай, Деннис (12 августа 2013 г.). «Тайна черной дыры, окутанная парадоксом межсетевого экрана». Нью-Йорк Таймс. Получено 12 августа 2013.
  4. ^ а б c Мюссер, Герг (30 октября 2020 г.). «Самый известный парадокс в физике близится к своему концу - в серии знаменательных расчетов физики доказали, что черные дыры могут передавать информацию, что кажется невозможным по определению. Эта работа, похоже, разрешает парадокс, который Стивен Хокинг впервые описал пять десятилетий назад».. Журнал Quanta. Получено 31 октября 2020.
  5. ^ Хоссенфельдер, Сабина (23 августа 2019 г.). «Как черные дыры уничтожают информацию и почему это проблема?». Назад Реакция. Получено 23 ноября 2019.
  6. ^ Хокинг, Стивен (1 августа 1975 г.). «Создание частиц черными дырами». Commun. Математика. Phys. 43 (3): 199–220. Bibcode:1975CMaPh..43..199H. Дои:10.1007 / BF02345020. S2CID  55539246.
  7. ^ Барбон, Дж. Л. Ф. (2009). «Черные дыры, информация и голография». Journal of Physics: Серия конференций. 171 (1): 012009. Bibcode:2009JPhCS.171a2009B. Дои:10.1088/1742-6596/171/1/012009. http://iopscience.iop.org/1742-6596/171/1/012009 стр.1: «Важнейший отход от общепринятого мышления в последние годы, голографический принцип... предоставляет определение квантовой гравитации ... [и] гарантирует, что весь процесс унитарен ».
  8. ^ Сасскинд, Леонард (2007-07-07). Война с черной дырой: моя битва со Стивеном Хокингом за то, чтобы сделать мир безопасным для квантовой механики. Маленький, Браун. п. 10. ISBN  9780316032698. Получено 2015-04-07. Это не была война между разгневанными врагами; действительно, все основные участники - друзья. Но это была ожесточенная интеллектуальная борьба идей между людьми, которые глубоко уважали друг друга, но также и глубоко не соглашались.
  9. ^ "Сасскинд решает бороться с Хокингом в ссоре из-за квантового положения". КАЛИФОРНИЯ ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 2008-07-09. Архивировано из оригинал на 2012-04-02.
  10. ^ а б Penington, G .; Шенкер, С .; Стэнфорд, Д .; Ян, З. (2019). «Реплика червоточины и внутренности черной дыры». arXiv:1911.11977 [hep-th ].
  11. ^ а б Almheiri, A .; Hartman, T .; Maldacena, J .; Shaghoulian, E .; Тадждини, А. (2019). «Реплика червоточины и энтропия излучения Хокинга». Журнал физики высоких энергий. 2020 (5). arXiv:1911.12333. Дои:10.1007 / JHEP05 (2020) 013. S2CID  208310010.
  12. ^ Баэз, Джон. «Результаты этой недели по математической физике (неделя 207)». Получено 2011-09-25.
  13. ^ Гурзадян, В.Г .; Пенроуз, Р. (2010). «Концентрические круги в данных WMAP могут свидетельствовать о насильственных действиях до Большого взрыва». arXiv:1011.3706 [astro-ph.CO ].
  14. ^ Wehus, I.K .; Эриксен, Х. К. (2010). «Поиск концентрических кругов на 7-летних температурных картах неба WMAP». Астрофизический журнал. 733 (2): L29. arXiv:1012.1268. Bibcode:2011ApJ ... 733L..29W. Дои:10.1088 / 2041-8205 / 733/2 / L29.
  15. ^ Moss, A .; Scott, D .; Зибин, Дж. П. (2010). «Нет свидетельств аномально низкой дисперсии кругов на небе». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2011 (4): 033. arXiv:1012.1305. Bibcode:2011JCAP ... 04..033M. Дои:10.1088/1475-7516/2011/04/033. S2CID  118433733.
  16. ^ Гаджян, А. (2010). «Есть ли отголоски Вселенной до Большого взрыва? Поиск кругов с низкой дисперсией в реликтовом небе». Астрофизический журнал. 740 (2): 52. arXiv:1012.1656. Bibcode:2011ApJ ... 740 ... 52H. Дои:10.1088 / 0004-637X / 740/2/52. S2CID  118515562.
  17. ^ Эриксен, Х. К .; Вехус, И. К. (2010). "Прокомментируйте" предсказанные CCC круги с низкой дисперсией в небе CMB и LCDM"". arXiv:1105.1081 [astro-ph.CO ].
  18. ^ а б c d Гиддингс, Стивен Б. (1995). «Информационный парадокс черной дыры». Частицы, струны и космология. Семинар Джона Хопкинса по актуальным проблемам теории элементарных частиц 19 и междисциплинарный симпозиум PASCOS 5. arXiv:hep-th / 9508151. Bibcode:1995hep.th .... 8151G.
  19. ^ а б c d е Прескилл, Джон (1992). Уничтожают ли черные дыры информацию?. Международный симпозиум по черным дырам, мембранам, червоточинам и суперструнам. arXiv:hep-th / 9209058. Bibcode:1993bhmw.conf ... 22P.
  20. ^ Николич, Хрвое (2015). «Нарушение унитарности излучением Хокинга не нарушает закон сохранения энергии-импульса». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2015 (4): 002. arXiv:1502.04324. Bibcode:2015JCAP ... 04..002N. Дои:10.1088/1475-7516/2015/04/002. S2CID  44000069.
  21. ^ Гиддингс, Стивен Б. (1998). «Комментарии об утрате и остатках информации». Физический обзор D. 49 (8): 4078–4088. arXiv:hep-th / 9310101. Bibcode:1994ПхРвД..49.4078Г. Дои:10.1103 / PhysRevD.49.4078. PMID  10017412. S2CID  17746408.
  22. ^ Гиддингс, Стивен (1992). «Черные дыры и массивные остатки». Физический обзор D. 46 (4): 1347–1352. arXiv:hep-th / 9203059. Bibcode:1992ПхРвД..46.1347Г. Дои:10.1103 / PhysRevD.46.1347. PMID  10015052. S2CID  1741527.
  23. ^ Николич, Хрвое (2015). «Гравитационный кристалл внутри черной дыры». Буквы A по современной физике. 30 (37): 1550201. arXiv:1505.04088. Bibcode:2015MPLA ... 3050201N. Дои:10.1142 / S0217732315502016. S2CID  62789858.
  24. ^ Никодем Ю. Поплавский (2010). «Космология с кручением: альтернатива космической инфляции». Письма по физике B. 694 (3): 181–185. arXiv:1007.0587. Bibcode:2010ФЛБ..694..181П. Дои:10.1016 / j.physletb.2010.09.056.
  25. ^ Хартл, Джеймс Б. (1998). "Обобщенная квантовая теория в испаряющемся пространстве-времени черной дыры". Черные дыры и релятивистские звезды: 195. arXiv:gr-qc / 9705022. Bibcode:1998bhrs.conf..195H.
  26. ^ Николич, Хрвое (2009). «Разрешение информационного парадокса черных дыр путем рассмотрения времени наравне с пространством». Письма по физике B. 678 (2): 218–221. arXiv:0905.0538. Bibcode:2009ФЛБ..678..218Н. Дои:10.1016 / j.physletb.2009.06.029. S2CID  15074164.
  27. ^ Брэдлер, Камил; Адами, Кристоф (2014). «Способность черных дыр передавать квантовую информацию». Журнал физики высоких энергий. 2014 (5): 95. arXiv:1310.7914. Bibcode:2014JHEP ... 05..095B. Дои:10.1007 / JHEP05 (2014) 095. ISSN  1029-8479. S2CID  118353646.
  28. ^ Gyongyosi, Ласло (2014). «Статистическая модель испарения информации идеально отражающих черных дыр». Международный журнал квантовой информации. 12 (7n08): 1560025. arXiv:1311.3598. Bibcode:2014IJQI ... 1260025G. Дои:10.1142 / s0219749915600254. S2CID  5203875.
  29. ^ Modak, Sujoy K .; Ортис, Леонардо; Пенья, Игорь; Сударский, Даниил (2015). «Испарение черной дыры: потеря информации, но не парадокс». Общая теория относительности и гравитации. 47 (10): 120. arXiv:1406.4898. Bibcode:2015ГРэГр..47..120М. Дои:10.1007 / s10714-015-1960-г. ISSN  1572-9532. S2CID  118447230.
  30. ^ Окон, Элиас; Сударский, Даниил (2014). «Преимущества моделей объективного коллапса для космологии и квантовой гравитации». Основы физики. 44 (2): 114–143. arXiv:1309.1730. Bibcode:2014ФоФ ... 44..114О. Дои:10.1007 / s10701-014-9772-6. ISSN  1572-9516. S2CID  67831520.
  31. ^ Пенроуз, Роджер (1989). «Ньютон, квантовая теория и реальность». Триста лет гравитации. Издательство Кембриджского университета. п. 17. ISBN  9780521379762.
  32. ^ Пенроуз, Роджер (1996). «О роли гравитации в редукции квантовых состояний». Общая теория относительности и гравитации. 28 (5): 581–600. Bibcode:1996GReGr..28..581P. CiteSeerX  10.1.1.468.2731. Дои:10.1007 / BF02105068. ISSN  1572-9532. S2CID  44038399.
  33. ^ Басси, Анджело; и другие. (2013). «Модели коллапса волновой функции, лежащие в основе теории и экспериментальные проверки». Ред. Мод. Phys. 85 (2): 471–527. arXiv:1204.4325. Bibcode:2013РвМП ... 85..471Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.85.471. ISSN  1539-0756. S2CID  119261020.
  34. ^ "Новая статья Стивена Хокинга о черной дыре, перевод: интервью с соавтором Эндрю Строминджером". Сеть блогов Scientific American. Получено 2016-01-09.
  35. ^ Хокинг, Стивен У .; Перри, Малкольм Дж .; Строминджер, Эндрю (2016-01-05). «Мягкие волосы на черных дырах». Письма с физическими проверками. 116 (23): 231301. arXiv:1601.00921. Bibcode:2016PhRvL.116w1301H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.116.231301. PMID  27341223. S2CID  16198886.
  36. ^ Кастельвекки, Давиде (27 января 2016 г.). "Последняя статья Хокинга о черной дыре раскалывает физиков (природа)". Scientific American. Получено 31 октября 2020.
  37. ^ Альмхейри, Ахмед; Хартман, Томас; Мальдасена, Хуан; Шагулян, Эдгар; Тадждини, Амирхоссейн (11.06.2020). «Энтропия излучения Хокинга». arXiv:2006.06872 [hep-th ].

внешняя ссылка